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圖片來源：阿爾托大學

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在量子力學面前，我們在生活中積累的常識往往不再適用。好在由于普朗克常數(shù)很小，我們平時并不會被種種奇怪的量子效應困擾，不過這并不意味著量子力學僅能描述微觀層面幾個原子、分子的行為。宏觀物體的量子效應是存在的，只不過它們太微弱，很容易就淹沒在種種噪聲之中。

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編譯｜王昱 洪藝瑞

審校｜吳非

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量子力學掌控著從基本粒子到宏觀物體的運動規(guī)律，但對于后者而言，這種掌控往往顯得不太明顯。在眾多因素的干擾下，量子效應對經(jīng)典物理造成的偏差變得幾乎不可見。因此，確認、測量宏觀物體的量子效應，就成為眾多物理學家的目標。

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就在今天，發(fā)表于最新一期《科學》雜志的兩項研究實現(xiàn)了突破：其中一項研究找到了宏觀物體量子糾纏的直接證據(jù)，另一項則在一個類似的系統(tǒng)中“規(guī)避”了量子力學的基本定律之一——不確定性原理。

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當然，這里的宏觀僅僅是相對于分子、原子的宏觀，兩項研究中實驗對象的大小都在紅細胞級別。但是，讓這樣尺度的“宏觀”物體產(chǎn)生量子效應也絕非易事，它們與環(huán)境之間多種多樣的相互作用隨時都會破壞脆弱的量子態(tài)。為此，兩個實驗環(huán)境溫度都被控制絕對零度附近。

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宏觀量子糾纏

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在其中一項研究中，美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）的什洛米·科特勒（Shlomi Kotler）團隊用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進入量子糾纏狀態(tài)。每張鋁片膜長20微米，寬14微米，厚度為100納米。其質(zhì)量為70皮克，相當于大約1萬億個原子的質(zhì)量。以量子的標準而言，它們已經(jīng)達到了相當大的尺度。

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該實驗中使用鋁鼓膜的掃描電鏡照片（偽色圖） 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 622-625

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兩張鋁片膜與一個電路相連，并被放置在低溫腔中。當研究人員施加脈沖微波時，電路會與鋁片膜相互作用，控制鋁片膜的振動模式。在此條件下，鋁片膜可以維持大約1毫秒的量子狀態(tài)。這在量子力學的尺度下，已經(jīng)是相當長的時間了。微波被處于量子狀態(tài)的鋁片膜反射后，會被信號器接收。通過對比反射前后的微波性質(zhì)，研究人員可以分析出鋁片膜的位置和動量信息。

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該實驗系統(tǒng)示意圖 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 622-625

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研究團隊仔細分析了反射的微波。在宏觀世界中，反射回來的微波應該是隨機的。但是當他們將結(jié)果繪制成圖時，卻發(fā)現(xiàn)微波具有特定的模式——兩張鋁片膜中，一個相對平靜，而另一個則在輕微地抖動，表明兩張鋁片膜發(fā)生了量子糾纏。

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“單獨分析兩張鋁片膜振動的位置和動量信息，你只能看出它們在振動而已，”這篇論文的作者之一，NIST的物理學家約翰·托伊費爾（John Teufel）表示，“但是當你對比兩者的信息時，你就會發(fā)現(xiàn)兩張鋁片膜看似無規(guī)律的振動之間，其實存在著高度的關(guān)聯(lián)性。這一點只有量子糾纏才做得到?！?/p>

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研究團隊的斯科特·格蘭西（Scott Glancy）解釋稱，他們發(fā)現(xiàn)兩張鋁片膜的位置和動量之間都存在關(guān)聯(lián)，如果這種關(guān)聯(lián)比經(jīng)典物理學所能產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)要強，那么就表明鋁片膜之間肯定存在量子糾纏。

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盡管返回的脈沖微波信號能夠同時測量鋁片膜的位置和動量信息，但是不確定性原理表明，其測量仍然存在一定的誤差。為了盡可能地減少誤差，研究團隊進行了1萬次重復實驗，并利用統(tǒng)計學方法對鋁片膜的位置等實驗結(jié)果的一致性進行了計算。最終他們可以確定，這兩個宏觀物體的振動模式被量子糾纏關(guān)聯(lián)了起來。

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“規(guī)避”不確定性原理

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在同期發(fā)布的另一篇論文中，來自芬蘭阿爾托大學等研究機構(gòu)的科學家在8毫開爾文的溫度下，讓兩個鋁鼓膜進入長時間、相對穩(wěn)定的糾纏態(tài)。在這種糾纏態(tài)下，研究人員可以對同一個糾纏態(tài)進行多次測量，從而“規(guī)避”量子力學中的不確定性原理。

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在實驗中，鼓膜振動的相位總是相反的。如果對鼓膜1施加一個力，則鼓膜2的運動方向一定和力的方向相反。論文作者米卡·西蘭普（Mika Sillanp??）表示：“一個鼓膜對力的響應總是和另一個鼓膜相反的，有點類似于負質(zhì)量?！?/p>

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該實驗示意圖 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 625-629

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“在這種情況下，如果將兩個鼓視為一個量子力學實體，那么鼓運動狀態(tài)的不確定性就被消除了。”該研究的主要作者勞雷·梅西爾·德斯特普（Laure Mercier de Lépinay）解釋說。

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不確定性原理是20世紀20年代末由海森堡提出的。根據(jù)這個量子力學的基本概念，由于波函數(shù)的數(shù)學性質(zhì)，我們不可能同時準確得知一個物體的位置和動量。

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不過，這并不意味著我們不能準確得知物體的位置和動量，只是在同時測量兩者時，不確定性原理的限制才會出現(xiàn)。而反作用規(guī)避（Back-action evasion）就是在不違反不確定性原理的情況下，繞過這一限制的一種方式。

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在這次的實驗中，研究團隊就利用了反作用規(guī)避。本質(zhì)上，他們沒有測量每個鼓的位置和動量，而是通過鼓膜運動對電路電壓造成的影響，測量了鋁鼓膜的動量之和。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院研究員楚一文（Yiwen Chu，音譯，未參與這兩項研究）表示：“實驗中沒有任何地方違反了不確定性原理。你只是選擇了一組特定的，不會被（不確定性原理）禁止的參數(shù)?！?/p>

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宏偉的藍圖

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這兩項實驗都以確鑿的證據(jù)證明了宏觀物體也可以實現(xiàn)量子糾纏。在量子糾纏的狀態(tài)下，物體的行為與經(jīng)典物理的描述存在顯著的區(qū)別。不論糾纏物體之間的空間距離有多遠，它們也不能被獨立描述。而這種和經(jīng)典物理顯著的區(qū)別，正是新型量子技術(shù)背后的關(guān)鍵理論支撐之一。

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楚一文表示：“我們并沒有發(fā)現(xiàn)任何量子力學之外的新理論，”但是要實現(xiàn)這兩項實驗中的測量，仍然需要“令人印象深刻的技術(shù)進步”。

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這種技術(shù)進步帶來的高度糾纏的量子系統(tǒng)，或許能夠在未來的量子網(wǎng)絡中充當長期網(wǎng)絡節(jié)點。此外，研究中的高效測量方法也可能對量子通信或者量子網(wǎng)絡節(jié)點間的糾纏交換等應用有所幫助，因為這些應用都需要對量子糾纏進行測量。

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而在量子力學之外，這種技術(shù)進步在需要亞原子精度測量時為科學家提供了新的選擇?；蛟S，未來的暗物質(zhì)和引力波探測也將在這種技術(shù)的幫助下實現(xiàn)新的飛躍。

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參考鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6542/622

https://science.sciencemag.org/content/372/6542/625

https://www.scientificamerican.com/article/scientists-supersize-quantum-effects-with-entangled-drum-duet1/

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/05/nist-team-directs-and-measures-quantum-drum-duet

https://science.sciencemag.org/content/372/6542/570


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